Уравнение истечения жидкости через малое отверстие

Истечение жидкости через малое отверстие при постоянном напоре

Отверстие называется малым, когда его вертикальный размер меньше 0,1 расчетного напора Н_р (понятие об Н_р приведено ниже): для круглого отверстия d_о 0 при выходе наружу. Поскольку частицы жидкости обладают массой и, соответственно, свойством инерционности, то они огибают входную кромку по некоторой кривой. Поэтому, на расстоянии l=(0,5…1,0)d_o образуется так называемое сжатие струи, т.е. площадь сечения струи S_с меньше площади отверстия S_o. Степень сжатия струи оценивается коэффициентом сжатия струи ε_о:

(6.1)

При истечении жидкости необходимо знать скорость и расход. Для этого составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2, приняв за плоскость сравнения горизонтальную плоскость, проходящую через ось отверстия:

(6.2)

где ζ_о – коэффициент сопротивления малого отверстия. Обозначим α₂=α, u₂=u, а р₂=р_вых (р_вых– давление на выходе из малого отверстия). Введем расчетный напор Н_р:

Тогда из уравнения (6.2) получим:

(6.3)

Окончательно, из уравнения (6.3) найдем скорость истечения струи:

(6.4)

где φ_о – коэффициент скорости малого отверстия:

(6.5)

Для гипотетического случая истечения идеальной жидкости ζ_о=0, а α=1. Тогда φ_о=1, а скорость истечения идеальной жидкости будет равна:

(6.6)

Формула (6.6) совпадает с формулой для расчета свободного падения тела в пустоте и называется формулой Торричелли. Анализ формул (6.4) и (6.6) показывает, что коэффициент скорости φ_о – это отношение скорости истечения вязкой жидкости к скорости истечения идеальной жидкости:

(6.7)

Коэффициент скорости φ_о всегда меньше единицы, поскольку скорость истечения идеальной жидкости u_и больше скорости истечения вязкой жидкости u из-за наличия гидравлического сопротивления: всегда ζ_о>0.

Поле скоростей в сечении струи является равномерным только в ядре струи, наружный слой жидкости имеет несколько меньшую скорость из-за трения об острую входную кромку малого отверстия. Скорость в ядре струи, как показывают опыты, практически равна идеальной u_и. Поэтому коэффициент φ_о является коэффициентом средней скорости.

Расход жидкости Q при истечении подсчитывают как произведение скорости струи на площадь ее сечения:

(6.8)

Произведение коэффициентов ε_о и φ_о называется коэффициентом расхода µ_о:

(6.9)

Тогда формулу (6.8) для расчета расхода Q можно записать в следующем виде:

(6.10)

Коэффициенты сжатия струи ε_о, сопротивления ζ_о, скорости φ_о и расхода µ_о зависят от числа Рейнольдса Re. Поскольку для расчета Re необходимо знать скорость истечения u, а для определения скорости u необходим коэффициент скорости φ_о, то принято использовать в расчетах число Рейнольдса, подсчитанное для идеальной скорости u_и:

(6.11)

Графические зависимости, составленные А.Д. Альтшулем на основе опытов различных авторов, приведены на рис. 6.3.

Уравнение истечения жидкости через малое отверстие

Рассмотрим различные случаи истечения жидкости из резервуаров, баков, котлов через отверстия и насадки (коротки трубки различной формы) в атмосферу или пространство, заполненное газом или той же жидкость. В процессе такого истечения запас потенциальной энергии, которым обладает жидкость, находящаяся в резервуаре, превращается в кинетическую энергию свободной струи.

Основным вопросом, который интересует в данном случае, является определение скорости истечения и расхода жидкости для различных форм отверстий и насадков.

Рассмотрим большой резервуар с жидкостью под давлением Р₀, имеющий малое круглое отверстие в стенке на достаточно большой глубине Н₀ от свободной поверхности (рис.5.1).

Степень сжатия оценивается коэффициентом сжатия.

где S_с и S_о — площади поперечного сечения струи и отверстия соответственно; d_с и d_о — диаметры струи и отверстия соответственно.

Скорость истечения жидкости через отверстие такое отверстие

где Н — напор жидкости, определяется как

φ- коэффициент скорости

где α — коэффициент Кориолиса;
ζ- коэффициент сопротивления отверстия.

Расход жидкости определяется как произведение действительной скорости истечения на фактическую площадь сечения:

Произведение ε и φ принято обозначать буквой и называть коэффициентом расхода, т.е. μ = εφ.

В итоге получаем расход

где ΔР — расчетная разность давлений, под действием которой происходит истечение.

При помощи этого выражения решается основная задача — определяется расход.

Значение коэффициента сжатия ε, сопротивления ζ, скорости φ и расхода μ для круглого отверстия можно определить по эмпирически построенным зависимостям. На рис.5.3 показаны зависимости коэффициентов ε, ζ и μ от числа Рейнольдса, подсчитанного для идеальной скорости

При истечении струи в атмосферу из малого отверстия в тонкой стенке происходит изменение формы струи по ее длине, называемое инверсией струи (рис.5.4). Обуславливается это явление в основном действием сил поверхностного натяжения на вытекающие криволинейные струйки и различными условиями сжатия по периметру отверстия. Инверсия больше всего проявляется при истечении из некруглых отверстий.

Несовершенное сжатие наблюдается в том случае, когда на истечение жидкости через отверстие и на формирование струи оказывает влияние близость боковых стенок резервуара (рис.5.5).

Так как боковые стенки частично направляют движение жидкости при подходе к отверстию, то струя по выходе из отверстия сжимается в меньшей степени, чем из резервуара неограниченных размеров, как это было описано в п.5.1.

При истечении жидкостей из цилиндрического резервуара круглого сечения через круглое отверстие, расположенное в центре торцевой стенки, при больших числах Re коэффициент сжатия для идеальной жидкости можно найти по формуле, представленной Н.Е. Жуковским:

где n — отношение площади отверстия S_о к площади поперечного сечения резервуара S₁

Часто приходится иметь дело с истечением жидкости не в атмосферу, а в пространство, заполненное этой же жидкостью (рис.5.6). такой случай называется истечением под уровень, или истечением через затопленное отверстие.

В этом случае вся кинетическая энергия струи теряется на вихреобразование, как при внезапном расширении.

Скорость истечения в сжатом сечении струи

где φ — коэффициент скорости;
Н — расчетный напор,

Таким образом, имеем те же расчетные формулы, что и при истечении в воздух (газ), только расчетный напор Н в данном случае представляет собой разность гидростатических напоров по обе стенки, т.е. скорость и расход жидкости в данном случае не зависят от высот расположения отверстия.

Коэффициенты сжатия и расхода при истечении под уровень можно принимать те же, что и при истечении в воздушную среду.

Внешним цилиндрическим насадком называется короткая трубка длиной, равной нескольким диаметрам без закругления входной кромки (рис. 5.7). На практике такой насадок часто получается в тех случаях, когда выполняют сверление в толстой стенке и не обрабатывают входную кромку. Истечение через такой насадок в газовую среду может происходить в двух режимах.

Первый режим — безотрывный режим. При истечении струя, после входа в насадок сжимается примерно так же, как и при истечении через отверстие в тонкой стенке. Затем струя постепенно расширяется до размеров отверстия из насадка выходит полным сечением (рис.5.7).

Коэффициент расхода μ, зависящий от относительной длины насадка l / d и числа Рейнольдса, определяется по эмпирической формуле:

Так как на выходе из насадка диаметр струи равен диаметру отверстия, то коэффициент сжатия ε = 1 и, следовательно, μ = φ , а коэффициент сопротивления ζ = 0,5.

Если составить уравнение Бернулли для сжатого сечения 1-1 и сечения за насадком 2-2 и преобразовать его, то можно получить падение давления внутри насадка

При некотором критическом напоре Н_кр абсолютное давление внутри насадка (сечение 1-1) становится равным нулю (P₁ = 0), и поэтому

Следовательно, при Н > Н_кр давление P₁ должно было бы стать отрицательным, но так как в жидкостях отрицательных давлений не бывает, то первый режим движения становится невозможным. Поэтому при Н Нкр происходит изменение режима истечения, переход от первого режима ко второму (рис.5.8).

Второй режим характеризуется тем, что струя после сжатия уже не расширяется, а сохраняет цилиндрическую форму и перемещается внутри насадка, не соприкасаясь с его стенками. Истечение становится точно таким же, как и из отверстия в тонкой стенке, с теми же значениями коэффициентов. Следовательно, при переходе от первого режима ко второму скорость возрастает, а расход уменьшается благодаря сжатию струи.

При истечении через цилиндрический насадок под уровень первый режим истечения не будет отличаться от описанного выше. Но при Н > Н_кр перехода ко второму режиму не происходит, а начинается кавитационный режим.

Таким образом, внешний цилиндрический насадок имеет существенные недостатки: на первом режиме — большое сопротивление и недостаточно высокий коэффициент расхода, а на втором — очень низкий коэффициент расхода. Недостатком также является возможность кавитации при истечении под уровень.

Внешний цилиндрический насадок может быть значительно улучшен путем закругления входной кромки или устройства конического входа. На рис.5.9 даны различные типы насадков и указаны значения соответствующих коэффициентов.

Конически сходящиеся и коноидальные насадки применяют там, где необходимо получить хорошую компактную струю сравнительно большой длины при малых потерях энергии (в напорных брандспойтах, гидромониторах и т.д.). Конически сходящиеся насадки используют для увеличения расхода истечения при малых выходных скоростях.

Рассмотрим случай опорожнения открытого в атмосферу сосуда при постоянно уменьшающемся напоре, при котором течение является неустановившемся (рис.5.10).

Однако если напор, а следовательно, и скорость истечения изменяются медленно, то движение в каждый момент времени можно рассматривать как установившееся, и для решения задачи применить уравнение Бернулли.

Обозначим переменную высоту уровня жидкости в сосуде за h, площадь сечения резервуара на этом уровнеS, площадь отверстия S_о, и взяв бесконечно малый отрезок времени dt, можно записать следующее уравнение объемов:

где dh — изменение уровня жидкости за время dt.

Отсюда время полного опорожнения сосуда высотой Н

Если будет известен закон изменения площади S по высоте h, то интеграл можно подсчитать. Для призматического сосуда S = const (рис.5.11), следовательно, время его полного опорожнения

Из этого выражения следует, что время полного опорожнения призматического сосуда в два раза больше времени истечения того же объема жидкости при постоянном напоре, равном первоначальному.

Рис. 5.11. Опорожнение призматического резервуара	Рис. 5.12. Опорожнение непризматического резервуара

Для определения времени истечения жидкости из горизонтального цилиндрического сосуда (цистерны) (рис. 5.12) выразим зависимость переменной площади S от h:

где l — длина цистерны; D — диаметр цистерны.

Тогда время полного опорожнения такой цистерны, т.е. время изменения напора от h₁ = D до h₂ = 0, получится равным

Во многих водозаборных и водопропускных гидротехнических сооружениях расходы воды проходят через отверстия, перекрываемые затворами. Затворы поднимают на определенную высоту над дном и пропускают через отверстия необходимые расходы. Чаще всего на гидромелиоративных сооружениях устраивают отверстия прямоугольного сечения, истечение из которых и рассмотрим.

Отверстия могут быть незатопленными (истечение свободное) и затопленными, когда уровень воды за затвором влияет на истечение.

Если отверстие незатопленное, то вытекающая из-под затвора струя находится под атмосферным давлением (рис. 5.13). При истечении через затопленное отверстие струя за затвором находится под некоторым слоем воды (рис. 5.14).

Когда затвор приподнят над дном, вытекающая из-под него струя испытывает сжатие в вертикальной плоскости. На расстоянии, примерно равном высоте отверстия а (высоте поднятия затвора), наблюдается наиболее сжатое сечение. Глубина в сжатом сечении h_c связана с высотой отверстия а следующей зависимостью:

где ε’ — коэффициент вертикального сжатия струи.

Коэффициент вертикального сжатия ε’ зависит от отношения высоты отверстия а к напору (глубине воды перед затвором) Н. Для ориентировочных расчетов можно принимать ε’ = 0,64.

Если составить уравнение Бернулли для сечений, проведенных перед затвором и в сжатом сечении, после преобразований получим:

Глубина h_z определяется из зависимости

а h_б — глубина в отводящем канале (бытовая глубина).

Если вытекающая из отверстия или насадка струя попадает на неподвижную стенку, то она с определенным давлением воздействует на нее. Основное уравнение, по которому вычисляется давление струи на площадку, имеет вид

На рис. 5.15 приведены наиболее часто встречающиеся в практике ограждающие поверхности (преграды) и уравнения, по которым вычисляется давление струи на соответствующую поверхность.

Величина давления струи, естественно, зависит от расстояния насадка до преграды. С увеличением расстояния струя рассеивается и давление уменьшается. Соответствующие исследования показывают, что в данном случае струя может быть разбита на три характерные части: компактную, раздробленную и распыленную (рис.5.16).

В пределах компактной части сохраняется цилиндрическая форма струи без нарушения сплошности движения. В пределах раздробленной части сплошность потока нарушается, причем струя постепенно расширяется. Наконец, в пределах распыленной части струи происходит окончательный распад потока на отдельные капли.

Основы гидравлики

Истечение жидкостей через отверстия

Истечение жидкости из отверстия в тонкой стенке

Для начала необходимо уточнить — что такое — «отверстие в тонкой стенке» ?
Таковым называется отверстие в стенке сосуда, толщина которого меньше его утроенного линейного размера (т. е. диаметра или высоты) . Такое отверстие практически не влияет на условие истечения жидкости и форму струйки.
Итак, отверстие считается тонким, если b ,

где:
b – толщина стенки сосуда,
d – диаметр (или высота) отверстия.

Кроме понятия отверстия в тонкой стенке введено понятие малого отверстия в этой самой стенке.
Малым называют отверстие в тонкой стенке , если его вертикальный размер не превышает 0,1…0,2 величины напора:

где:
а – высота отверстия (м);
Н – величина напора (м).

При истечении жидкости из малого отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре скорость v и расход жидкости Q определяются по формулам:

v = φ √[2g(H + p₁/ρg – p₂/ρg)] , (здесь и далее √ — знак радикала) ;

где:
ρ — плотность жидкости;
ω — площадь сечения отверстия;
μ и φ – коэффициенты скорости и расхода, значение которых определяют по справочным таблицам. Фрагмент одной из таких таблиц приведен ниже.
Коэффициенты μ и φ связаны между собой соотношением μ = φε , где ε – коэффициент сжатия струи, который представляет отношение площади струи в сжатом сечении к площади отверстия.

Таблица коэффициентов скорости и расхода жидкости из отверстий